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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELETRICA – FEELT
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE TELECOMUNICAÇÕES
PATOS DE MINAS – MG
Tadeu Silva Lima
Análise de escalabilidade de sistemas TS-OCDMA
Patos De Minas - MG
2017
Tadeu Silva Lima
Análise de escalabilidade de sistemas TS-OCDMA
Trabalho de conclusão de curso apresentado
como requisito final para obtenção do
Bacharelado em Engenharia Eletrônica e de
Telecomunicações. Submetido a faculdade de
engenharia elétrica (FEELT) da universidade
federal de Uberlândia (UFU).
Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Lima
Bertarini.
Patos De Minas - MG
2017
Análise de escalabilidade de sistemas TS-OCDMA
Trabalho de conclusão de curso aprovado para
obtenção do título de Bacharelado em
Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações
da Universidade Federal de Uberlândia (MG)
pela banca examinadora formada por:
Patos de Minas, 15 de dezembro de 2017.
__________________________________________________________________________
Prof. Dr. Pedro Luiz Lima Bertarini
__________________________________________________________________________
Prof. Dr. André Luiz Aguiar da Costa
__________________________________________________________________________
Prof. Ms. Gustavo Nozella Rocha
À minha Mãe e exemplo de pessoa,
Maria Aparecida
“São as nossas escolhas, mais do que as nossas capacidades, que mostram quem realmente
somos.”
JK. Rowling
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me ajudado a superar todas as minhas
dificuldades.
Agradeço à minha mãe, Maria Aparecida, que se mostrou a principal responsável por
esta conquista. Um exemplo de mãe, que sempre esteve ao meu lado, se preocupando e se
sacrificando por mim. Agradeço ao meu pai, Geraldo, que se tornou minha referência de pessoa
honesta e trabalhadora, mesmo não estando mais conosco. Agradeço aos meus irmãos Edson e
Alexandre, que sempre me apoiaram e me deram suporte em todas as minhas conquistas.
Agradeço aos meus colegas e amigos que compartilharam seu tempo e alegrias comigo,
sempre me incentivando e me ajudando em diversas situações.
Agradeço ao Prof. Dr. Pedro Luiz Lima Bertarini pela sua orientação e seus
ensinamentos, que possibilitaram realizar minha pesquisa e este trabalho. Agradeço também a
grande colaboração do Prof. Dr. André Luiz Aguiar da Costa na minha pesquisa e neste
trabalho.
Agradeço à Universidade Federal de Uberlândia e a todos meus professores por terem
me dado essa grande oportunidade e me preparado para essa conquista.
Agradeço ao laboratório LAPSE (Laboratório de Processamento de Sinais e Sistemas
Embarcados) pela disponibilização da estrutura e pelo apoio na realização de minha pesquisa.
Resumo
A sociedade atual demanda cada vez mais de sistemas de comunicações mais eficientes
e que possibilitem maiores taxas de tráfego. Devido a isso, muitas pesquisas são desenvolvidas
com intuito de criar novos sistemas ou aperfeiçoar os já existentes. Este trabalho estuda a
escalabilidade do sistema OCDMA aplicado via técnica de espalhamento temporal de fase (TS-
OCDMA), com o objetivo de verificar a influência de diversos componentes ópticos no
desempenho desse sistema. A sua implementação contempla diversos conceitos importantes de
comunicações ópticas e visa otimizar o seu funcionamento para que este seja possível obter
altas taxas de transmissão com um maior número de usuários simultâneos. Durante o trabalho,
são testadas diversas variações na implementação e na configuração do sistema, sempre
considerando situações próximas a realidade, possibilitando testar a influência de cada uma
dessas variações no desempenho do sistema. São investigados os parâmetros taxa de
transmissão, número de usuários, extensão do código, o comprimento do enlace, uso de
amplificadores e dispositivos de rejeição de MAI. A principal figura de mérito empregada neste
trabalho é a BER, que mede a taxa de erros de bits cometidos em uma transmissão. Além disso,
outros parâmetros observados são o orçamento de potência e o diagrama do olho, que mostram
informações relevantes ao funcionamento do sistema.
Palavras-chave: Codificação temporal de fase (TS), Acesso Múltiplo por Divisão de Código
Óptico (OCDMA), Códigos ópticos, Sistemas de comunicações ópticas, Fibra óptica.
Abstract
Today's society demanding more efficient communications systems that enable higher
traffic rates. In this context, many researches are designed to create new systems or to improve
existing ones. This work studies the scalability of the OCDMA system applied by phase-
temporal scattering (TS-OCDMA) technique, in order to verify the influence of several optical
components in the system's performance. Its implementation contemplates several important
concepts of optical communications and aims to optimize its operation so that it provides high
rates with a greater number of simultaneous users. During the work, several scenarios are tested
in the implementation and in the configuration of the system, always considering situations
close to reality, making it possible to test the influence of each one of these variations and to
find relevant characteristics that allow to improve the functioning of the system. The parameters
of transmission rate, number of users, code extension, link length, use of amplifiers, MAI
rejection devices, among others influence the performance of the system are investigated. The
main figure of merit is the BER, which measures the number of errors committed in a
transmission. Also, other parameters, like power budget and eye diagram are observed in order
to show information relevant to the operation of the system.
Key words: Phase temporal coding (TS), Optical Code Division Multiple Access (OCDMA),
optical codes, optical communications systems, optical fiber.
Lista de figuras
Figura 1: Representação das técnicas de múltiplo acesso a) FDMA b) TDMA e c) CDMA nas
dimensões de tempo e frequência [5]. ................................................................................... 18
Figura 2: Sistema OCDMA. ................................................................................................. 19
Figura 3: Fluxo de bits em codificação temporal com base no esquema DSSS [7]. .............. 21
Figura 4: Codificação no domínio do tempo utilizando ODL [7]. ......................................... 21
Figura 5: Sistema de codificação de intensidade espectral (não-coerente) [7]. ...................... 22
Figura 6: Esquema proposto para CDMA óptico baseado em codificação espectral e
decodificação de pulsos ultracurtos de luz [16]..................................................................... 24
Figura 7: Forma de onda no domínio do tempo e frequência para um sistema codificado em fase
espectral coerente: a) Espectro do pulso estreito; b) sequencia pseudoaleatória (PN) no domínio
da frequência, cuja multiplicação por (-1,1) em amplitude, neste domínio, , correspondente ao
deslocamento de fase (0, π) no tempo; c) pulso espalhado, codificado em fase; d) Recuperação
correta e incorreta do pulso [5][7]. ....................................................................................... 25
Figura 8: Diagrama de blocos de um sistema OCDMA com codificação de fase temporal [10].
............................................................................................................................................ 26
Figura 9: Tipos de modulações. ............................................................................................ 28
Figura 10: Formas de onda dos formatos, a) Unipolar NRZ, b) Polar NRZ e c) Unipolar RZ.
............................................................................................................................................ 28
Figura 11: Esquema de um modulador Mach-Zehnder ......................................................... 33
Figura 12: Sistema TS-OCDMA implementado. .................................................................. 35
Figura 13: Transmissor TS-OCDMA. .................................................................................. 36
Figura 14: Parâmetros do codificador ................................................................................... 38
Figura 15: Receptor TS-OCDMA ........................................................................................ 39
Figura 16: Sistema TS-OCDMA com 2 usuários. ................................................................. 41
Figura 17: Sinal do usuário sem codificação. ........................................................................ 42
Figura 18: Sinal do usuário codificado. ................................................................................ 42
Figura 19: Sinal do usuário decodificado. ............................................................................. 43
Figura 20: Sinal do usuário incorretamente decodificado. ..................................................... 43
Figura 21: Influência na adição de interferentes na BER, a) Diagrama de olho com 0
interferentes, b) Diagrama de olho com 3 interferentes e c) Diagrama de olho com 7
interferentes. ........................................................................................................................ 44
Figura 22: Teste de interferência na taxa de 0,5 Gbit/s. ........................................................ 45
Figura 23: Teste de interferência na taxa de 1 Gbit/s. ........................................................... 45
Figura 24: Teste de interferência na taxa de 10 Gbit/s. ......................................................... 46
Figura 25: Teste de interferência na taxa de 20 Gbit/s. ......................................................... 46
Figura 26: Teste de influência da largura temporal do chip. .................................................. 48
Figura 27: Teste de influência do NOLM. ............................................................................ 50
Figura 28: Teste de influência do NOLM para tamanho de chip constante. ........................... 51
Figura 29: Teste de influência da compensação. ................................................................... 52
Figura 30: Compensação da dispersão com uso de DCF. ...................................................... 53
Figura 31: Teste da influência da compensação da atenuação e da MAI quando a dispersão é
compensada. ........................................................................................................................ 54
Figura 32:Compensação de dispersão e atenuação, a) Diagrama de olho utilizando-se apenas
DCF e b) Diagrama de olho utilizando-se DCF e amplificador. ............................................ 55
Lista de siglas
BER Bit Error Rate
CDMA Code Division Multiple Access
DCF Dispersion Compensating Fiber
DFA Doped Fiber amplifier
DSSS Direct Sequence Spectral Spreading
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
FDMA Frequency Division Multiple
Access
GPS Global Positioning System
ISI Inter-Symbolic Interference
LASER Light Amplification by Stimulated
of Radiation
LCD Liquid Crystal Device
LED Light Emitting Diode
MAI Multiple Access Interference
NOLM Nonlinear Optical Loop Mirror
NRZ Not Return to Zero
OCDMA Optical Code Division Multiple
Access
ODL Networks of Optical Delay Lines
OOC Optical Orthogonal Codes
OOK On-Off Keying
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
PON Passive Optical Network
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RZ Return to Zero
SOA Semiconductor Optical Amplifier
Taxa de erro de bit
Acesso múltiplo por divisão de código
Fibra compensadora de dispersão
Amplificador de fibra dopada
Espalhamento espectral por sequência
direta
Amplificador de fibra dopada com érbio
Acesso múltiplo por divisão de frequência
Sistema de posicionamento global
Interferência inter-simbólica
Amplificação da luz por estimulação da
radiação
Dispositivo de cristal líquido
Diodo emissor de luz
Interferência de múltiplo acesso
Espelho de loop óptico não linear
Não retorna ao zero
Acesso múltiplo por divisão de código
óptico
Redes de linhas de atraso óptico
Códigos ortogonais ópticos
Chaveamento on-off
Multiplexação por divisão de frequências
ortogonais
Redes ópticas passivas
Modulação de amplitude em quadratura
Chaveamento por deslocamento de fase e
quadratura
Retorna ao zero
Amplificador semicondutor óptico
SPECTS Spectral Phase-Encoded – Time
Spreading
TS Time Spreading
TDMA Time Division Multiple Access
Codificação espectral de fase com
espalhamento temporal
Espalhamento temporal
Acesso múltiplo por divisão de tempo
Sumário
1 Introdução ................................................................................................................... 15
1.1 Objetivos ............................................................................................................... 16
1.2 Organização do texto ............................................................................................. 17
2 Revisão teórica ............................................................................................................ 18
2.1 Sistemas de múltiplo acesso ................................................................................... 18
2.2 Sistemas OCDMA ................................................................................................. 19
2.2.1 Codificação de intensidade no domínio temporal ............................................ 20
2.2.2 Codificação de intensidade espectral ............................................................... 22
2.2.3 Codificação de fase espectral (SPECTS) ......................................................... 23
2.2.4 Codificação Temporal de fase (TS-OCDMA) ................................................. 26
2.3 Outros conceitos importantes ................................................................................. 27
2.3.1 Técnicas de codificação e modulação .............................................................. 27
2.3.1.1 Formatos de modulação digital ................................................................ 27
2.3.1.2 Códigos Wash-Hadamard ........................................................................ 29
2.3.2 Técnicas de melhoramento do sinal ................................................................. 30
2.3.2.1 Remoção de MAI .................................................................................... 30
2.3.2.2 Compensação de dispersão ...................................................................... 30
2.4 Componentes ópticos ............................................................................................. 31
2.4.1 Fontes chaveadas de luz .................................................................................. 31
2.4.2 Fotodetectores ................................................................................................ 31
2.4.3 Modulador Mach-Zehnder .............................................................................. 32
2.4.4 Amplificadores ............................................................................................... 33
3 Metodologia ................................................................................................................. 35
3.1 Implementação do transmissor ............................................................................... 36
3.1.1 Geração do sinal ............................................................................................. 36
3.1.2 Modulação óptica ........................................................................................... 37
3.1.3 Codificador TS-OCDMA ................................................................................ 37
3.2 Implementação do receptor TS-OCDMA ............................................................... 39
3.2.1 Decodificador TS-OCDMA ............................................................................ 39
3.2.2 Tratamento e regeneração do sinal .................................................................. 40
4 Análises e resultados ................................................................................................... 41
4.1 Influência de interferentes ...................................................................................... 44
4.2 Influência da extensão do código e do período do chip. .......................................... 47
4.3 Influência do NOLM para sistema sem fibra .......................................................... 49
4.4 Influência da compensação e do comprimento do enlace ........................................ 51
4.5 Influência da compensação da atenuação e da MAI quando a dispersão é compensada
54
5 Conclusão geral ........................................................................................................... 56
Referências ......................................................................................................................... 57
15
1 Introdução
É evidente o crescimento no uso de sistemas de telecomunicações nas últimas décadas,
sendo necessária a implementação de sistemas que possibilitem maiores taxas, maiores
transmissões de dados e aproveitem melhor a largura de banda do canal, permitindo assim
melhor escalabilidade ao sistema. Esta última pode ser visualizada em três dimensões: (i)
quanto ao tamanho (quantidade de usuários e recursos que se pode adicionar ao sistema), (ii)
distância geográfica e (iii) à facilidade de administração [1].
Nesse contexto, sistemas ópticos surgem como solução para aplicações que exigem alto
tráfego de dados e alto grau de confiabilidade. Dentre eles destacam-se as tecnologias PON
(Passive Optical Network), que são redes ópticas de múltiplo acesso caracterizadas por possuir
elementos ativos apenas nas pontas da rede. Contudo, apesar de estas tecnologias terem
contribuído bastante para resolver o problema de excesso de tráfego de dados nas redes das
operadoras de telecomunicações, hoje estuda-se novas tecnologias que podem contribuir ainda
mais para a melhora da rede. Dentre elas, encontram-se os sistemas OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) e OCDMA (Optical Code Division Multiplexing Access) [2]-
[3]. Apesar de o sistema OFDM se mostrar bastante promissor, este trabalho investiga apenas
o sistema OCDMA.
O sistema OCDMA é uma adaptação do sistema CDMA (Code Division Multiple
Access) para o domínio óptico, em que se faz uso de técnicas de codificação para otimizar a
banda disponível. O CDMA surgiu na segunda guerra mundial, com o objetivo de estabelecer
comunicações seguras entre aliados, contudo, novos interesses surgiram sobre ele por volta da
década de 1980, incentivando diversos estudos direcionados inicialmente para a rede de
telefonia móvel. Essa nova tecnologia também foi usada no desenvolvimento do sistema de
posicionamento (GPS), na indústria, na medicina e em diversas áreas da ciência [4]. A evolução
dos processadores digitais de sinais, executando funções como codificação, regeneração,
multiplexação, filtragem, entre outros [5]-[6] tornou viável a implementação prática desse
sistema [7].
A adaptação do sistema CDMA para o domínio óptico foi sugerido por dois trabalhos
na década de 80: Prucnal em 1986 [8] e Weiner em 1988 [9]. Weiner mostrou que pulsos
ultracurtos e com grande largura espectral poderiam ser produzidos e manipulados,
possibilitando que os estudos aplicados em comunicação por radiofrequência também pusessem
16
ser aplicados em sistemas de comunicações ópticos. Diferentemente de Weiner, Prucnal havia
mostrado que os mecanismos de codificação e de decodificação dos dados poderiam funcionar
em “redes totalmente ópticas” (sem a utilização de processos eletrônicos), possibilitando que
os processos acontecessem na velocidade da luz e, desta forma, proporcione uma alta taxa de
transmissão de dados [10].
O estudo dos dois trabalhos [8] [9] também possibilitou a divisão das configurações de
sistemas OCDMA. Em termos da natureza da sobreposição do sinal óptico, eles podem ser
divididos em sistemas coerentes e incoerentes. Sistemas coerentes se baseiam nas propriedades
coerentes da luz e utilizam codificação bipolar no sinal óptico, ou seja, um dado é aplicado
geralmente via codificação de fase do sinal óptico. Os sistemas incoerentes por sua vez utilizam
a presença ou ausência de luz incoerente, como os LED’s (Light Emitting Diode), para
representar símbolos (1 e 0), caracterizando uma codificação unipolar [10]. Com o
desenvolvimento de novos dispositivos de codificação e decodificação, os sistemas coerentes
se tornaram a tecnologia mais viável para implementação de sistemas OCDMA [11].
Dependendo da maneira de como a codificação de fase é dada ao sinal óptico, tem-se
diferentes classificações para os sistemas OCDMA coerentes. Se a alteração da fase óptica é
dada no domínio do tempo, temos uma codificação temporal de fase (TS-OCDMA). Caso a
codificação seja dada no domínio da frequência, temos uma codificação espectral de fase
(SPECTS-OCDMA) [10]. Levando em consideração o sistema TS-OCDMA, o número de
usuários, o comprimento da fibra de enlace, o tipo de modulação a ser utilizado, o uso de
amplificadores, os tipos de fotodetectores e moduladores, dentre outros, são parâmetros
importantes que podem alterar o funcionamento deste sistema, e, portanto, merecedores de
estudo.
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo estudar a escalabilidade de redes ópticas coerentes
baseadas na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código (OCDMA), modeladas e
desenvolvidas em software. Em particular, é dado ênfase à codificação temporal de fase (TS),
com o intuito no desenvolvimento de um sistema OCDMA que tenha um bom desempenho e
que com isso permita o acesso assíncrono dos usuários à rede. Serão investigados parâmetros
de taxa de transmissão, número de usuários, extensão do código, comprimento do enlace, uso
de amplificadores, dispositivos de rejeição de MAI (Multiple Access Interference), entre outros
17
que influenciam o desempenho do sistema. Isso permite que políticas de otimização de
desempenho sejam sugeridas, tais como técnicas de correção de erros e de seleção ótima do
conjunto de códigos.
1.2 Organização do texto
Para que um trabalho seja bem compreendido é importante que ele esteja organizado de
forma adequada. Este trabalho foi organizado e dividido em algumas seções, que são:
Introdução, Revisão teórica, Metodologia, Análises e resultados e Conclusão geral.
A seção de Introdução, é utilizada para situar o leitor ao ambiente do trabalho, bem
como apontar algumas motivações e objetivos.
A seção de Revisão teórica, é utilizada para preparar o leitor para que este possa
compreender os termos técnicos e científicos do trabalho. Nesta parte é dada uma breve
explicação sobre o funcionamento de um sistema OCDMA, bem como suas variações. Também
é abordado alguns outros conceitos importantes de comunicações ópticas.
Na Metodologia é detalhado os métodos utilizados para implementar o sistema TS-
OCDMA, explicando em partes o funcionamento do sistema implementado. Também são feitas
algumas observações sobre detalhes de configurações do sistema implementado.
A seção de Análises e resultados apresenta todos os resultados obtidos através das
simulações. Todos os resultados coletados são analisados e avaliados nesta seção, afim de obter
as conclusões necessárias para fundamentar o trabalho.
A seção de Conclusão geral é a última do trabalho. Basicamente ela apresenta um
resumo das conclusões obtidas, de forma que o leitor possa ter um aparato geral sobre as
conclusões do trabalho.
18
2 Revisão teórica
2.1 Sistemas de múltiplo acesso
O Sistema CDMA surgiu como alternativa para aplicações que possuem janelas de
tempo e espectro limitadas para alocar o seu grande número de usuários. Algumas dessas
aplicações se deram em sistemas de comunicações móveis, onde esse sistema foi implementado
comercialmente [4]. Outros sistemas que são comumente utilizados em comunicações móveis
são os sistemas FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência) e TDMA (Acesso
Múltiplo por Divisão de Tempo). Como pode ser visto na Figura 1, o FDMA divide a banda
disponível entre os usuários de forma que cada usuário transmita a todo tempo, porém
utilizando apenas parte da banda atribuída a ele; já no TDMA o usuário pode utilizar toda a
banda disponível, contudo, cada usuário pode transmitir apenas no tempo atribuído a ele, por
último, o CDMA permite que o usuário utilize toda a banda disponível a todo tempo, para isso,
ele atribui a cada usuário um código ortogonal que permite que ele seja diferenciado dos demais
[7]. A ortogonalidade do código utilizado é o que permite que o sinal de um usuário não interfira
no sinal de outro usuário [10].
Figura 1: Representação das técnicas de múltiplo acesso a) FDMA b) TDMA e c) CDMA nas
dimensões de tempo e frequência [5].
Fonte: Adaptado de [5].
Analisando a Figura 1, percebe-se que o sistema CDMA teoricamente apresenta uma
maior eficiência na transmissão de dados do que os sistemas FDMA e TDMA, contudo, ele
apresenta algumas limitações impostas por diversos efeitos que podem degradar o sinal, como
19
a MAI. Esses efeitos ocorrem geralmente devido a algumas particularidades dos códigos
utilizados, quando a ortogonalidade pode não ser perfeita como desejado [10].
2.2 Sistemas OCDMA
Os sistemas ópticos, diferentemente dos sistemas móveis, proporcionam altas taxa de
dados e possuem imunidade a interferências eletromagnéticas. Por outro lado, o sistema CDMA
possibilita acessos simultâneos e flexíveis com baixa degradação, principalmente com a
utilização de códigos mais otimizados. Essas características e os diversos estudos realizados
sobre a técnica CDMA, possibilitaram que o sistema OCDMA pudesse ser desenvolvido [7]
[9]. Para diversas aplicações comercias e residenciais, onde é necessária uma grande taxa de
dados para realização das atividades requeridas, esse sistema se tornou ideal, devido às suas
características de transmissão.
Em geral, os sistemas OCDMA apresentam a configuração da Figura 2, onde
codificadores passivos são utilizados para permitir que os sinais de múltiplos usuários sejam
combinados em um mesmo enlace de fibra óptica, utilizando a mesma banda de transmissão, e
decodificadores passivos permitem que o sinal seja recuperado de forma eficiente.
Figura 2: Sistema OCDMA.
Contudo, como citado, os sistemas OCDMA possuem algumas variações que podem ser
classificadas em incoerentes e coerentes [8] [9]. Os sistemas incoerentes realizam codificações
de intensidade e os coerentes utilizam as propriedades coerentes da luz e a codificação bipolar
(aplicado geralmente via codificação de fase do sinal óptico) [10].
Os sistemas incoerentes são basicamente:
20
• Codificação de intensidade no domínio temporal (não-coerente);
• Codificação de intensidade espectral (não-coerente)
Os sistemas coerentes são basicamente:
• Codificação de fase espectral (SPECTS)
• Codificação de fase temporal (TS-OCDMA)
A seguir, cada um desses esquemas é descrito com mais detalhes.
2.2.1 Codificação de intensidade no domínio temporal
Nesse sistema com codificação de intensidade no domínio temporal, similarmente aos
demais sistemas OCDMA, os bits são codificados em uma forma de onda que corresponde à
sequência de assinatura do código. Cada receptor correlaciona a máscara do seu código com o
sinal enviado mostrando o grau de similaridade entre o sinal e a máscara.
Os algoritmos de codificação buscam aumentar a autocorrelação e diminuir a correlação
cruzada entre os códigos, dessa forma o máximo de ortogonalidade e cardinalidade (quantidade
de códigos disponíveis) são extraídos. Diversos algoritmos de codificação temporal foram
desenvolvidos afim de melhorar a eficiência do sistema. Dentre eles destacam-se os algoritmos
por códigos de sequências primas e algoritmos por códigos ortogonais ópticos (OOC) [7].
A Figura 3 mostra como esse processo de codificação acontece, ou seja, um intervalo
de tempo tb, que corresponde ao tempo de um pulso, é representado por uma sequência de pulsos
ópticos denominados chips de intervalos tc e comprimento de onda λ0. A quantidade de chips
iluminados dentro de uma sequência de intervalo tb, denominada w, depende do algoritmo de
formação do código. Como são necessários vários pulsos para representar um símbolo, é normal
que ocorra um espalhamento espectral por sequência direta (DSSS), pois a largura de faixa
necessária para transmissão da mesma informação aumentou [7].
21
Figura 3: Fluxo de bits em codificação temporal com base no esquema DSSS [7].
Fonte: Adaptado de [7].
Inicialmente, utilizavam-se redes de linhas de atraso óptico (ODL) para realizar a
alocação temporal de pulsos, como pode ser visto na Figura 4. Basicamente, um pulso óptico
com valor de pico alto e tempo de pulso tc mais curto que tb do usuário, ao passar pelo
codificador é fragmentado em uma sequência de pulso menores, proporcionais à ponderação w
do código. Outras sequências correspondentes a outros usuários são multiplexadas em um
acoplador em estrela. No receptor é usado um conjunto de linhas de atraso da mesma forma
que é usado no transmissor, reconstruindo o pulso estreito por meio de elementos de atraso
conjugados. Em uma última etapa o sinal passa por um processo de correlação de intensidade.
O sinal inalterado irá recuperar os pulsos de forma distinguível, caso contrário os pulsos
recuperados serão indistinguíveis [7].
Figura 4: Codificação no domínio do tempo utilizando ODL [7].
Fonte: Adaptada de [7].
22
2.2.2 Codificação de intensidade espectral
Nesse sistema, a largura de faixa do sinal não depende da largura de faixa da fonte (pode
ser um LED não coerente), tornando a informação a ser transmitida independente dos
parâmetros que definem esses códigos. A Figura 5 exemplifica esse processo. Diferentemente
da codificação de fase coerente, nesse processo as componentes espectrais da fonte óptica de
faixa larga são inicialmente resolvidas. Para cada canal é usado um codificador de amplitude
espectral próprio, com o objetivo de bloquear ou transmitir componentes de frequências
específicas [7].
Figura 5: Sistema de codificação de intensidade espectral (não-coerente) [7].
Fonte: Adaptado de [7].
No receptor, o sinal recebido é filtrado com o mesmo filtro 𝐴(𝑤) de amplitude espectral
do transmissor e seu filtro �̅�(𝑤) complementar. Na sequência, as saídas dos filtros são
conectadas em dois fotodetectores, de forma a balancear a saída. Quando o transmissor está
descasado, as componentes espectrais transmitidas se dividem entre os dois filtros. Basicamente
23
o receptor realiza a diferença entre a saída dos dois fotodectores, nesse processo os sinais
descasados são cancelados e os sinais casados são demodulados de acordo com seu tipo de
modulação [7].
O número de usuários disponíveis para esse sistema depende do número de faixas do
espectro do LED. Como o LED não apresenta um espectro plano, podendo apresentar formas
gaussianas por exemplo, alguns usuários podem ser vistos com valores diferentes, de acordo
com sua posição no espectro. Esse fenômeno pode acarretar em perda de ortogonalidade entre
os usuários, por isso, foram desenvolvidas três técnicas para resolver esse problema. A primeira
é o uso de um modulador espacial de luz programável, com dispositivos de cristal líquido (LCD)
[13] de modo a obter amplitude de transmissão não binária. A segunda técnica equaliza o
espectro do LED utilizando filtros ou moduladores acústicos-ópticos [14]. A terceira técnica
consiste em reduzir o comprimento da faixa de frequência total para a região mais plana do
espectro [15].
2.2.3 Codificação de fase espectral (SPECTS)
Este tipo de codificação utiliza pulsos de luz ultracurtos de fonte coerente para modular
a fase das componentes espectrais, pois quanto mais curto for o pulso temporal, maior será a
faixa espectral em que ele se estenderá. Salehi e seus colaboradores propuseram a utilização de
máscaras de fase que codificam os dados a serem transmitidos [16]-[17]. A aplicação das
máscaras é ilustrada na Figura 6.
24
Figura 6: Esquema proposto para CDMA óptico baseado em codificação espectral e decodificação de
pulsos ultracurtos de luz [16].
Fonte: Adaptado de [17].
Cada bit de informação eletrônica modula diretamente um LASER (Amplification by
Stimulated Emission of Radiation) mode-locked que produzirá um pulso de luz muito estreito.
A largura do pulso óptico é da ordem de alguns pico-segundos (ou mesmo femto-segundos).
Os pulsos ultracurtos passam então por um codificador que consiste em duas redes de difração,
um par de lentes e uma máscara de fase (Figura 6). A primeira grade decompõe espacialmente
a componente espectral que constitui o pulso de entrada ultracurto. Uma máscara de fase
padronizada de forma pseudoaleatória espacialmente é inserida no meio do caminho entre as
lentes no ponto em que os componentes espectrais ópticos experimentam a separação espacial
máxima. Assim, a máscara introduz desvios de fase pseudoaleatórios entre as diferentes
componentes espectrais. Esta mudança de fase aleatória representa o código de um determinado
usuário [16].
Depois da máscara de fase as componentes espectrais são remontadas pela segunda lente
e segunda grade em um único feixe óptico. Depois de sair da grade e do aparelho de lente, o
perfil temporal do pulso codificado é dado pela transformada de Fourier do padrão transferido
pela máscara para o espectro. Uma máscara de fase transforma os pulsos pseudoaleatórios
ultracurtos incidentes em um ruído de baixa intensidade [16].
25
Nesta rede, cada transmissor tem uma máscara de fase distinta e transmite os seus pulsos
codificados para todos aqueles receptores que partilham o mesmo canal óptico [7]-[16]. Isso
pode ser visto na Figura 7.
Figura 7: Forma de onda no domínio do tempo e frequência para um sistema codificado em fase
espectral coerente: a) Espectro do pulso estreito; b) sequencia pseudoaleatória (PN) no domínio da
frequência, cuja multiplicação por (-1,1) em amplitude, neste domínio, , correspondente ao
deslocamento de fase (0, π) no tempo; c) pulso espalhado, codificado em fase; d) Recuperação correta
e incorreta do pulso [5][7].
Fonte: Adaptado de [5][7].
O receptor é constituído por um decodificador semelhante e um dispositivo de limiar. A
unidade de decodificação tem uma máscara de fase que é o conjugado da máscara utilizada para
a codificação. Assim, um pulso é corretamente decodificado quando a codificação e
decodificação de máscaras formam um par conjugado complexo. Neste caso, os deslocamentos
de fase espectrais são removidos e o impulso inicial ultracurto é reconstruído [7]-[16]. Por outro
lado, quando a codificação e decodificação das máscaras não coincidirem, os desvios de fase
são rearranjados, mas não removidos, e o pulso na saída do decodificador permanece com uma
baixa intensidade de ruído [7]-[16].
26
2.2.4 Codificação Temporal de fase (TS-OCDMA)
Esse sistema faz uso das propriedades de coerência da luz para manipular a fase óptica
no domínio do tempo e assim realizar a codificação, contudo ele caracteriza-se por necessitar
de fontes de luzes que produzem pulsos ultracurtos, podendo ser LASER Mode-locked [10]. A
Figura 8 demonstra o diagrama de blocos para este sistema:
Figura 8: Diagrama de blocos de um sistema OCDMA com codificação de fase temporal [10].
Fonte: Adaptado de [10].
Primeiramente os dados são modulados no domínio elétrico, utilizando-se codificadores
OOK (On-Off Keying), QPSK (Binary Phase Shift Keying) ou outro. Depois essa informação é
modulada no domínio óptico utilizando-se um modulador óptico (pode ser um Mach-Zehnder,
por exemplo). Já no domínio óptico, o sinal passa por um codificador temporal de fase, que é
uma rede de linha de atraso tempo-fase onde um pulso de um sinal é divido em N cópias criadas
a partir do tamanho da janela de pulso disponível e o tamanho do código utilizado. Ou seja, um
pulso simples passa agora a ser representado por N pulsos atrasados e defasados de tal forma a
ocupar o tempo de uma janela temporal e obedecer às características do código do usuário. O
tamanho da janela de pulso é definido pela taxa de transmissão na qual se deseja transmitir [10].
Após a codificação temporal de fase, os sinais de vários usuários são combinados em
uma mesma rede, ou enlace. Pela Figura 8, percebe-se que no lado do receptor, cada usuário
possui um decodificador que conhece o código ao qual o sinal de interesse foi codificado, de
forma que esse sinal possa ser recuperado por meio do sinal combinado [10].
O processo de recuperação consiste na correlação do sinal combinado com o conjugado
do código de codificação. O decodificador desloca novamente o sinal temporalmente e atribui
um atraso de fase conjugado a cada pulso criado. Dessa forma, o sinal desejado é identificado
27
pelo forte pico de auto-correlação que é observado na saída. Os demais sinais combinados
apresentam um fraco pico de auto-correlação, de forma que são identificados como ruídos. Para
eliminar esses ruídos é necessário utilizar técnicas de remoção de MAI [10]. O último passo é
realizar a conversão do sinal no domino óptico para o domínio elétrico, para isso são utilizados
fotodetectores e filtros.
2.3 Outros conceitos importantes
Afim de esclarecer algumas questões acerca do funcionamento desse sistema, alguns
conceitos devem ser entendidos. Dentre esses conceitos apresentados nesta seção estão as
técnicas de codificação e modulação, técnicas de melhoramento do sinal e definições relevantes
acerca de diversos componentes ópticos usados neste trabalho.
2.3.1 Técnicas de codificação e modulação
A codificação e a modulação são recursos bastante úteis em sistemas de
telecomunicações. A seguir são apresentados alguns conceitos importantes relacionados aos
processos de codificação e modulação utilizados neste trabalho.
2.3.1.1 Formatos de modulação digital
Um sinal digital é formado por pulsos de tensão ou corrente que representam símbolos
digitais. Esse sinal pode ser transmitido em uma portadora ou pode ser transmitido em banda
base, ou seja, em sua frequência original [20] [21]. Os formatos de modulação determinam
como os pulsos são criados e dispostos, sendo basicamente divididos em modulação de
amplitude e modulação de fase [20]. A Figura 9 mostra alguns dos formatos de modulação mais
utilizados.
28
Figura 9: Tipos de modulações.
Fonte: Adaptado de [21].
O sinal em banda base também pode ser classificado em termos de polarização e largura
de pulso. Em termos de polarização, o sinal pode ser polar ou unipolar, onde o sinal polar varia
entre +1 e -1 e o unipolar varia entre 0 e +1 (ou 0 e -1) [21].
Em termos de largura de pulso o sinal pode ser NRZ (não retorna ao zero) ou RZ (retorna
ao zero). Enquanto no formato NRZ o sinal utiliza todo tempo de pulso para representar o
símbolo, no formato RZ o sinal retorna ao 0 antes de terminar seu tempo de pulso. A Figura 10
exemplifica esse fato. Os sinais RZ e NRZ unipolar são denominados OOK, pois utilizam a
presença e ausência de pulso para representar um símbolo por vez [18].
Figura 10: Formas de onda dos formatos, a) Unipolar NRZ, b) Polar NRZ e c) Unipolar RZ.
Fonte: Adaptado de [21].
29
Os formatos de modulação BPSK e QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utilizam a
variação de fase do sinal para representar símbolos. Já o QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) utiliza além da variação de fase a variação de amplitude para representar símbolos.
Apesar de serem mais eficientes na transmissão de informação, essas codificações possuem
limitações que inviabilizam seu uso. Geralmente eles são mais sensíveis a presença de
interferentes e necessitam de componentes mais complexos para a geração do sinal [20].
Os sinais RZ e NRZ modulados em amplitude se tornam extremamente interessantes
para sistemas de comunicações ópticos, devido à sua simplicidade na geração e no tratamento
do sinal. Contudo, é fato que não são codificações muito eficientes, pois necessitam de um ciclo
inteiro para representar um símbolo [20].
2.3.1.2 Códigos Wash-Hadamard
Uma parte muito importante de um processo de codificação é o código utilizado.
Existem diversos conjuntos de códigos desenvolvidos para cada tipo de aplicação, e nesse
sistema será utilizado os códigos Wash-Hadamard para implementar o codificador óptico, por
se tratar de um conjunto de códigos eficiente e simples de se implementar.
Os códigos Wash-hadamard são códigos ortogonais definidos pela Equação 1 [8]:
𝐻(𝑘 + 1) = [𝐻(𝑘) 𝐻(𝑘)𝐻(𝑘) 𝐻(−𝑘)
] (1)
Como pode ser observado na Equação 1, o próximo conjunto de códigos de ordem maior
H(k +1) é definido recursivamente utilizando-se o conjunto de códigos de ordem menor H(k).
Essa matriz é composta apenas por ±1, onde +1 representa deslocamento de fase 0 e -1
representa deslocamento de fase de π. Cada linha dessa matriz corresponde a um código que
pode ser utilizado por um usuário [7].
Os códigos Hadamard são teoricamente ortogonais, mas na prática essa ortogonalidade
nem sempre é perfeita. Em [8] é mostrado o efeito da interferência entre os usuários utilizando-
se esses códigos e pode-se perceber que o sinal de um usuário interfere destrutivamente no sinal
de outros usuários, apesar da ortogonalidade do mesmo. Em [8] também é mostrado que alguns
conjuntos de códigos chamados de conjuntos ótimos possuem melhor eficiência quando
utilizados, possibilitando que o sistema comporte um maior número de usuários.
30
2.3.2 Técnicas de melhoramento do sinal
Em um sistema de telecomunicações o sinal está sempre sujeito a processos que
deterioram o sinal, portanto é importante adotar técnicas de melhoramento do sinal para garantir
a qualidade e a eficiência da transmissão. Dentre essas técnicas se destacam as técnicas de
rejeição de MAI e de compensação de dispersão cromática.
2.3.2.1 Remoção de MAI
Sistemas ópticos são conhecidos por não sofrerem interferências eletromagnéticas
externas, contudo, como todo sistema, eles possuem seus próprios problemas. Um dos
problemas mais comuns nos sistemas ópticos é a MAI, que ocorre quando sinais de diferentes
usuários interferem um no outro [8]. Diversos métodos de correção de MAI são estudados e
aplicados em diferentes sistemas de comunicações ópticas. Este trabalho estuda o uso do
NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror) como método de correção de MAI, pois se trata de
um sistema simples e eficiente.
Basicamente o NOLM usa um sinal de referência para eliminar as partes indesejáveis
do sinal, como um “recorte” temporal do sinal óptico, realizado a uma determinada frequência
equivalente à taxa de transmissão de bits. Dessa forma os sinais interferentes provenientes de
processos de espalhamento e interferência de MAI podem ser eliminados e dependendo da
largura do recorte, a eficiência pode ser otimizada [8].
2.3.2.2 Compensação de dispersão
Um dos grandes problemas evidenciados nos sistemas de comunicações ópticos é a
dispersão cromática que ocorre nas fibras ópticas. Essa dispersão pode se acumular ao longo
do enlace e deteriorar o sinal significativamente, portanto, para evitar isso, foram desenvolvidos
diversos métodos de compensação [18].
O método abordado neste trabalho é a inserção de uma fibra compensadora de dispersão
(DCF), que corrige no próprio enlace essa dispersão. Basicamente, essa fibra possui um
parâmetro de dispersão oposto ao da dispersão acumulado no enlace de transmissão, dessa
forma a dispersão acumulada é anulada [18]. De acordo com Keiser, o comprimento da DCF
deverá ser tão curto quanto possível, uma vez que a fibra especial usada tem uma perda maior
31
do que a fibra de transmissão [18]. Portanto o comprimento ideal da DCF pode ser calculado
pela seguinte equação:
𝐿𝐷𝐶𝐹 = |𝐷𝑇𝑋
𝐷𝐷𝐶𝐹| × 𝐿 [18] (2)
Na qual L é o comprimento operacional da fibra; 𝐷𝑇𝑋 é a dispersão operacional; e 𝐷𝐶𝐹,
a dispersão da DCF.
2.4 Componentes ópticos
Como se trata de um sistema de comunicações ópticas, o estudo dos componentes
ópticos básicos do sistema se torna relevante. A seguir, esses componentes são brevemente
apresentados, mostrando suas características mais relevantes.
2.4.1 Fontes chaveadas de luz
O LASER e o LED são as principais tecnologias utilizadas nos sistemas de
comunicações ópticas como fonte chaveada de luz. A constituição das duas tecnologias baseia-
se no comportamento das emissões espontâneas e estimuladas de um material do tipo PN ou
similar. O LED utiliza uma combinação de heteroestruturas que confinam a emissão de luz em
uma região de interesse, enquanto o LASER utiliza uma cavidade ressonante que proporciona
ganho aos fótons de luz gerados por meio de uma emissão estimulada, gerando uma luz
monocromática e bastante direcional [18].
O LASER possui particularidades que o torna mais atrativo perante ao LED, como [18]:
• Alto grau de Monocromaticidade;
• Alto grau de Coerência;
• Alto grau de Direcionalidade;
• Alto brilho.
2.4.2 Fotodetectores
Os fotodetectores possuem a finalidade de converter sinais ópticos em sinais elétricos
fazendo uso das propriedades ópticas e elétricas. Essas propriedades são determinadas pelas
estruturas de bandas de energia do material e pela ocupação destas bandas por elétrons [18]. Os
32
fotodetectores baseados em semicondutores são os mais utilizados, pois possuem características
interessantes, como [18]:
• Alta sensitividade;
• Resposta rápida;
• Baixo ruído;
• Baixo custo;
• Alta confiabilidade.
Os fotodetectores são construídos com intuito de criar uma região fotossensível que
proporciona o efeito de absorção de fótons, de forma semelhante aos efeitos de emissão
estimulada e espontânea. O efeito de absorção ocorre quando um fóton incide sobre uma
camada sensível e proporciona a movimentação de um elétron entre níveis inferior e superior
de energia, gerando uma movimentação elétrica [18].
Os dois tipos de fotodetectores semicondutores mais utilizados em sistema de
comunicações ópticas são o PIN e o APD. O fotodetector PIN possui uma camada intrínseca
(I) entre as camadas P e N, que proporciona um aumento na região de depleção com intuito de
aumentar o processo de absorção e, portanto, sua eficiência. Já o fotodetector APD é um PIN
com mais uma camada adicionada entre as camadas P e I que provoca um efeito avalanche de
elétrons. Essa avalanche provoca um ganho interno, contudo, também provoca ruídos [18].
2.4.3 Modulador Mach-Zehnder
O modulador Mach-Zehnder é um modulador óptico criado a partir de um
interferômetro Mach-Zehnder. Este é um acoplador óptico que acopla o sinal em banda base,
ainda no domínio elétrico em uma portadora óptica, gerando um sinal modulado no domínio
óptico [17].
33
Figura 11: Esquema de um modulador Mach-Zehnder
O interferômetro Mach-Zehnder é construído de forma que os sinais combinados irão
interferir de forma construtiva em uma saída e de modo destrutivo na outra, de forma que os
sinais combinados saiam em apenas uma saída. Apesar de o interferômetro Mach-Zehnder ser
utilizado geralmente em domínio óptico, ele também pode ser utilizado para modular sinais
elétricos em ópticos [18].
2.4.4 Amplificadores
Devido as perdas de potência provenientes dos diversos processos ao qual o sinal é
submetido no sistema, é notória a necessidade de amplificar esse sinal. Para isso foram
desenvolvidos diversos tipos de amplificadores, com diferentes características [16]. Geralmente
os amplificadores ópticos utilizam processos de emissão estimulada ou processos de
transferência óptica. Os SOAs (Semiconductor Optical Amplifiers) e DFAs (Doped fiber
amplifiers) necessitam de um mecanismo de inversão de população para que a emissão
estimulada ocorra. Basicamente o dispositivo absorve energia fornecida por uma fonte externa
por meio de um bombeio para intensificar os fótons da luz do sinal [18].
Os DFAs utilizam bombeio óptico para promover a emissão estimulada, enquanto que
os SOAs utilizam de bombeio elétrico para promover a emissão estimulada. Os SOAs, da
mesma forma que nos LASERs possuem uma cavidade ressonante aonde a injeção de corrente
externa provoca a inversão de população necessária para provocar a emissão estimulada e assim
atribuir ganho ao sinal [18].
Os DFAs são formados por uma fibra óptica dopada com um elemento químico, de
forma que o processo de inversão de população é facilitado quando uma luz de bombeio é
injetada na fibra, provocando a emissão estimulada que se prolonga pelo comprimento da fibra
dopada. Dentre os DFAs, o EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) se destaca por ser um
34
amplificador bastante eficiente para aplicações de longas distâncias. Sua dopagem é realizada
com o elemento érbio e sua faixa de operação geralmente está limitada à região de 1530-1565
nm [18].
O amplificador Raman, por sua vez, utiliza a transferência da potência óptica do
comprimento de onda de bombeio de alta potência para sinais luminosos em comprimentos de
onda maiores. Ou seja, sinais transmitidos em outros comprimentos de onda, que devido ao
efeito não-linear de Espalhamento Raman, transferem sua energia para o sinal de interesse [18].
Cada tipo de amplificador descrito acima possui suas particularidades, de forma que cada um
seja ideal para certos tipos de aplicação.
35
3 Metodologia
Uma rede OCDMA básica é dotada dos processos de modulação, codificação,
transmissão e recepção. Dependendo do tipo de técnica de codificação a ser utilizada o sistema
sofre variações, neste estudo é abordada a arquitetura de uma rede TS-OCDMA. O sistema TS-
OCDMA implementado possui configuração bastante simples, como pode ser observado na
Figura 12. O sinal óptico modulado no transmissor é multiplexado com o sinal dos demais
usuários, logo após é transmitido na fibra de enlace que pode ou não ter ou não dispositivos de
compensação. No outro lado da rede, um receptor semelhante ao transmissor recebe o sinal
unificado, decodifica o sinal óptico de cada usuário, trata o sinal e detecta o sinal óptico
convertendo-o em elétrico.
Figura 12: Sistema TS-OCDMA implementado.
Todas as análises desenvolvidas são baseadas em testes efetuados sobre a
implementação da rede TS-OCDMA representada na Figura 12. Para implementá-la, é utilizado
um software simulador, uma vez que sua implementação em equipamentos físicos seria bastante
complexa. O software a ser utilizado na implementação do sistema é o OptSystem 14.2, um
software bastante robusto de estudos em comunicações ópticas da empresa Optiwave [22]. Nele
é possível implementar praticamente quase todo o sistema, com exceção de alguns componentes
que serão simulados pelo software Matlab (Mathworks [23]) utilizando um recurso do próprio
OptSystem. A grande vantagem da implantação desse sistema em software, é que ela possibilita
uma maior variedade de tipos de estudos e de análises, pois a alteração de parâmetros de
configuração pode ser realizada por um simples ato computacional.
36
O sistema representado na Figura 12 não é muito diferente de outros sistemas OCDMA,
com a exceção da presença do codificador TS-OCDMA. Este codificador é o que caracteriza
esse sistema, sendo responsável por codificar o sinal de cada usuário de forma que este possa
ser recuperado corretamente no receptor, sem a necessidade de alocação de canal ou janela
temporal. A forma encontrada para representar esse sistema em software é descrita
posteriormente.
3.1 Implementação do transmissor
O transmissor implementado nesse sistema é composto por processos de geração
modulação e codificação do sinal. Esse transmissor, representado na Figura 13, mostra um
subsistema do OptiSytem, que foi criado para simplificar as análises. Afim de melhor
compreendê-lo devemos estudar separadamente cada parte desse subsistema.
Figura 13: Transmissor TS-OCDMA.
3.1.1 Geração do sinal
Como pode ser observado na Figura 13, o sinal elétrico é gerado pelo gerador de pulsos
RZ, que recebe uma sequência lógica aleatória gerada por um componente especifico e gera um
sinal codificado em RZ. O gerador de pulsos RZ realiza uma codificação OOK, onde o pulso
em alto (tensão em alto) representa o valor lógico 1 e o nível em baixo (tensão em zero)
representa o valor lógico 0. Neste caso o RZ se torna bastante interessante, pois ele não utiliza
toda janela temporal de pulso para representar o pulso 1, de forma que o restante da janela fique
disponível para realizar a codificação do pulso.
37
O tempo de pulso em alto dentro da janela é definido pelo Duty Cycle, que pode ser
reduzido ou aumentado de acordo com a necessidade da aplicação. No codificador TS-OCDMA
implementado, o Duty Cycle é ajustado de tal forma que possibilite alocar todas as cópias do
pulso criadas no processo de codificação. Desta forma ao se alterar a extensão do código, é
necessário alterar o Duty Cycle. Outra questão relevante no funcionamento dessa simulação
computacional é a taxa de amostragem por bit. Esta deve ser devidamente configurada para
garantir que a amostragem seja suficiente de forma que os pulsos tenham o formato correto.
Esse aspecto é um tanto crítico pois os pulsos podem ser bastante curtos nesse sistema.
3.1.2 Modulação óptica
Para modular o sinal elétrico no domino óptico foi utilizado um modulador March-
Zehnder (Figura 13). Como citado anteriormente, este modulador acopla a informação do sinal
elétrico no sinal portador óptico. O sinal portador óptico é gerado por um LASER ajustado para
operar em um comprimento de onda especifico. O LASER se mostrou atrativo devido a sua
capacidade de gerar pulsos ultracurtos, uma característica muito importante para esse sistema.
Nesse sistema o comprimento de onda a ser utilizado para modular o sinal é o mesmo para todos
os usuários, pois esse sistema não realiza multiplexação de frequência, e sim atribui códigos a
cada usuário, permitindo que estes utilizem o mesmo comprimento de onda.
Como pode ser observado na Figura 13, além do LASER óptico, foi utilizado um gerador
de ruído branco. Essa foi a alternativa encontrada para reproduzir o ruído de fase de um LASER
real. Dessa forma, o sinal do LASER somado ao ruído branco forma um sinal óptico condizente
com a prática, o que torna esse sistema mais real.
3.1.3 Codificador TS-OCDMA
O codificador TS-CDMA é representado na Figura 13, pelo componente do Matlab, pois
este foi implementado via algoritmo no Matlab. Ao executar o Matlab, o OptiSystem repassa
as informações do sinal para o Matlab que, de posse dessas informações, recria o sinal que agora
é trabalhado inteiramente em seu ambiente. O algoritmo implementado utiliza as informações
repassadas para criar cópias do mesmo sinal em quantidade equivalente à extensão do código
utilizado. Essas cópias são deslocadas de acordo com o tamanho do chip, e recebem um
deslocamento de fase condizente com o código atribuído a ele. Logo após, o algoritmo atribui
esse sinal à saída do componente, devolvendo o sinal codificado ao OptiSystem. A codificação
38
temporal acontece quando são criadas cópias deslocadas do mesmo sinal, já a codificação de
fase acontece quando cada cópia recebe um deslocamento de fase.
Como descrito anteriormente, é importante repassar algumas informações para o Matlab,
para isso é necessário criar parâmetros no componente do OptiSystem que passam ser alterados
a todo momento. A Figura 14 mostra os parâmetros que foram criados.
Figura 14: Parâmetros do codificador
Como pode ser observado na Figura 14, os parâmetros criados utilizam informações
disponíveis dentro do próprio OptiSystem, de forma que não seja necessária intervenção
interna. Esta mesma abordagem foi utilizada em alguns outros parâmetros, tornando o sistema
mais dinâmico e simplificado. Da forma como foi implementada, a única informação que deve
ser atribuída a cada usuário, modificado no seu subsistema (e não diretamente no componente
do codificador) é o número do código atribuído a ele. Os demais parâmetros são tratados como
universais, e são alterados uma única vez juntamente com os demais parâmetros de simulação
do sistema no todo.
39
3.2 Implementação do receptor TS-OCDMA
O receptor TS-OCDMA como mostrado na Figura 15, foi reduzido a um único
subsistema, afim de facilitar as análises. A Figura 15 mostra esse subsistema maximizado, onde
é possível visualizar os componentes que são responsáveis por realizar processos de
decodificação, tratamento e a conversão óptica-eletro.
Figura 15: Receptor TS-OCDMA
3.2.1 Decodificador TS-OCDMA
O decodificador TS-OCDMA, da mesma forma que o codificador, foi implementado
via algoritmo do Matlab, e também necessita receber os mesmos parâmetros. Portanto, sua
montagem é bem similar ao codificador. A construção do algoritmo é simples: o sinal
combinado na entrada do componente é analisado a cada janela temporal, e para cada janela
são realizados dois procedimentos, um deslocamento de fase e uma correlação. O deslocamento
de fase aplicado no decodificador é igual ao aplicado no codificador, de forma que para o sinal
do usuário de interesse, a fase volte ao estágio inicial antes da codificação. Já o para os demais
sinais (usuários interferentes), a fase não voltará ao normal.
Depois de receber um deslocamento de fase, o próximo passo é realizar uma correlação
do sinal. Esse processo consiste em deslocar temporalmente todos os pulsos de chip dentro da
janela de pulso para a posição correspondente ao pulso original (posição inicial). Esse processo
implica em uma soma em amplitude dos pulsos, contudo, como estamos realizando uma soma
entre valores complexos, é importante que a fase esteja casada, caso contrário o sinal ira ser
subtraído ao invés de somado. Dessa forma apenas o sinal de interesse é recuperado, os demais
40
sinais são drasticamente atenuados, tornando-se ruído. Depois de realizar estes dois
procedimentos, o sinal é devolvido ao OptiSystem.
3.2.2 Tratamento e regeneração do sinal
O sinal decodificado apresenta ruído e atenuação, proveniente dos diversos processos ao
qual é submetido. Devido a isso, é importante adotar métodos de tratamento do sinal. A primeira
técnica é o NOLM, que como já mencionado, utiliza um sinal de sinalização para realizar um
recorte do sinal dentro da região de interesse, eliminando os eventuais ruídos e a MAI. Da
mesma forma que o codificador e o decodificador, este componente foi implementado via
algoritmo, portanto, utiliza-se um componente Matlab para realizar a comunicação com o
Matlab.
A outra técnica utilizada objetiva compensar a atenuação que prejudica a detecção do
sinal, para isso foi utilizado um amplificador EDFA. Esse amplificador atribui um ganho ao
sinal, elevando-o ao nível de amplitude desejado, que no caso é o nível de tensão original do
sinal. Para garantir isso, os dois sinais foram comparados.
Depois de o sinal ser tratado em domínio óptico, a conversão óptico-elétrica é realizada
devolvendo o sinal ao domínio elétrico. O último passo é filtrar as altas frequências do sinal
elétrico, suavizando a forma de onda do sinal, para isso foi utilizado um filtro passa baixa
disponível no OptiSystem.
41
4 Análises e resultados
Antes de realizar testes específicos, foi necessário verificar o funcionamento básico do
sistema para garantir a qualidade dos resultados. Para esta análise, foi utilizada a configuração
de 2 usuários, apresentada de forma simplificada na Figura 16.
Figura 16: Sistema TS-OCDMA com 2 usuários.
Afim de garantir a compreensão do leitor, o sinal do segundo usuário foi desconsiderado
nesta análise.
As Figuras 17, 18, 19 e 20 representam o sinal gerado pelo usuário, o sinal codificado,
o sinal decodificado corretamente e o sinal decodificado incorretamente, respectivamente.
Analizando as Figuras 17 e 18, percebe-se o efeito de codificação temporal criado pelo
codificador TS-OCDMA, ou seja, um pulso se torna uma sequência de pulsos menores (chips)
em número proporcional à extensão do código utilizado. Também percebe-se que esse processo
causa atenuação no sinal. A Figura 19 apresenta o sinal corretamente decodificado, ou seja, o
código utilizado no decodificador é o mesmo do utilizado no codificador. Já a Figura 20
apresenta o sinal incorretamente decodificado, ou seja, o código utilizado no decodificar é
diferente do código utilizado no codificador.
O sinal corretamente decodificado se assemelha muito ao sinal original, com exceção
de alguns baixos pulsos resultantes do processo de correlação do sinal. Nesse processo o sinal
é combinado ponto a ponto, reconstruindo o sinal. Teoricamente, a correlação de um sinal em
baixo formaria outro sinal em baixo, contudo na prática o sinal apesar de baixo apresenta um
nível de sinal, que no processo de correlação forma um pulso pequeno. Este se torna um ruído
ao qual pode ser eliminado em processos futuros.
O sinal incorretamente decodificado é praticamente nulo, comprovando a teoria citada
anteriormente, que diz que o sinal codificado utilizando um código ortogonal só é
42
consideravelmente decodificado utilizando-se o mesmo código, caso contrário, no processo de
correlação o sinal seria reduzido a ruído. Neste caso, o sinal se mostrou nulo, pois está sendo
considerado apenas um usuário, caso contrário, é normal a presença de ruído.
Figura 17: Sinal do usuário sem codificação.
Figura 18: Sinal do usuário codificado.
43
Figura 19: Sinal do usuário decodificado.
Figura 20: Sinal do usuário incorretamente decodificado.
44
4.1 Influência de interferentes
Um dos parâmetros mais importantes de um sistema de múltiplo acesso é o nível de
sensibilidade a interferentes. Pensando nisso foram realizados alguns testes para verificar essa
sensibilidade. A Figura 21 apresenta um simples teste com o sistema configurado com
Hadamard extensão 8 e taxa de bit de 10 Gbit/s. Ela mostra o diagrama de olho do sistema com
0, 3 e 7 interferentes em (a), (b) e (c) respectivamente. O diagrama de olho do sistema sem
interferentes apresenta uma melhor resposta do que o os diagramas do sistema com 4 e 8
interferentes. Já o diagrama do sistema com 4 interferentes apresenta uma melhor resposta do
que o diagrama do sistema com 8 interferentes.
Figura 21: Influência na adição de interferentes na BER, a) Diagrama de olho com 0 interferentes, b)
Diagrama de olho com 3 interferentes e c) Diagrama de olho com 7 interferentes.
Os gráficos das Figuras 22 a 25 apresentam o comportamento do sistema para diferentes
taxas e extensões de código Hadamard. Foram realizados testes com as taxas de 0.5, 1, 10 e 20
Gbits/s com códigos de extensão de 8, 16, 32 e 64.
45
Figura 22: Teste de interferência na taxa de 0,5 Gbit/s.
Figura 23: Teste de interferência na taxa de 1 Gbit/s.
46
Figura 24: Teste de interferência na taxa de 10 Gbit/s.
Figura 25: Teste de interferência na taxa de 20 Gbit/s.
Os valores abaixo de 1e-20 não são considerados nos gráficos das Figuras de 22 a 25,
pois são muito baixos para influenciar no funcionamento do sistema, portanto as curvas que
não aparecem nos gráficos correspondem a valores inferiores a esse valor. Ao analisar os
gráficos das Figura 22 a 25, percebe-se que o aumento da taxa e da extensão do código
47
influencia expressivamente na quantidade de interferentes que o sistema suporta. Ao aumentar
a taxa, a quantidade de interferentes suportada diminui bastante, principalmente para códigos
de extensão maior, ou seja, os códigos de extensão maior são os mais afetados com o aumento
da taxa. Uma possível explicação para isso é a influência da largura temporal de cada chip no
desempenho do sistema. Isso acontece porque quando se aumenta o comprimento do código
mantendo a taxa de bit constante, a duração de cada chip diminui. Isso significa ter pulsos mais
estreitos, o que pode influenciar o desempenho do sistema. Na próxima seção é investigada a
influência da largura de chip no desempenho do sistema.
Diante dos resultados, conclui-se que para altas taxas não é possível adicionar muitos
usuários, pois a interferência entre os usuários é um dos fatores limitantes desse sistema.
Contudo, percebe-se que para taxas menores esse fator é minimizado, possibilitando um
aumento no número de interferentes. Esse fato mostra que esse sistema pode ser configurado
de duas formas: um sistema que funciona em alta taxa com poucos usuários e um sistema que
trabalha em baixa taxa e com muitos usuários. Isso aumentando o número de aplicações
possíveis para esse sistema.
4.2 Influência da extensão do código e do período do chip.
Os resultados do teste anterior mostram que o aumento da extensão do código afeta
significativamente o desempenho do sistema. Contudo, os resultados não foram como o
esperado. Aparentemente, os testes utilizando códigos de extensão menor apresentam melhores
valores de BER do que os testes utilizando códigos de extensão maior. Na teoria, os códigos
de extensão maior devem apresentar resultados melhores, uma vez que a codificação é mais
complexa. Isso nos leva pensar que existe outro fator limitante nesse sistema que inviabilizou
a análise de influência da extensão do código da forma como foi dada.
Um dos possíveis fatores que podem ter afetado a análise anterior é a largura temporal
do chip. Acredita-se que a diminuição do tempo do chip implica na limitação do funcionamento
do sistema, pois os processos de codificação, decodificação e tratamento se tornam mais
complexos. Dois fatores determinam o período do chip, a extensão do código e a taxa de bits.
Considerando estes dois parâmetros, no sistema implementado, o período de chip é reduzido
quando:
• A taxa de bits e a extensão do código são aumentadas;
48
• A extensão do código é aumentada enquanto que a taxa de bits é mantida constante;
• A extensão do código é mantida constante enquanto a taxa de bits é aumentada;
Nos testes da seção anterior a taxa de bits foi mantida constante enquanto a extensão do
código foi aumentada. Neste caso ocorreu a diminuição do tamanho do chip com o aumento da
extensão do código.
Com o objetivo de eliminar a influência do período do chip, os testes desta seção foram
configurados afim de garantir que o período de chip se mantivesse constante com o aumento
do tamanho da extensão do código. Para isso foi necessário variar a taxa de bits de forma que
o aumento do tempo de pulso compensasse o aumento do número de chips de cada extensão.
Assim, manter o período de chip constante implica em eliminar a influência deste no sistema,
caso exista, e permitir verificar a influência da extensão do código na eficiência do sistema.
A Figura 26 apresenta os resultados para os testes desta seção. Como observado, foi
utilizado as taxas de 10, 5 e 2,5 Gbit/s para as extensões de 8, 16 e 32 respectivamente. Os
valores inferiores a 1e-20 foram desconsiderados.
Figura 26: Teste de influência da largura temporal do chip.
Ao se analisar os valores de BER para cada extensão de código, percebe-se que o sistema
teve um melhor desempenho com o aumento do tamanho das extensões de código,
49
comprovando a teoria. Contudo, percebe-se que realmente existe uma influência do período de
chip no seu desempenho, e apesar de ele se mostrar mais eficiente para códigos de extensão
maior, o fator tamanho do chip também se mostra como um fator limitante.
Apesar de tudo, é possível dizer que desde que se considere o período do chip, os
códigos de extensão maior proporcionam melhores valores de BER e possibilitam adicionar um
maior número de interferentes, ou seja, de usuários. Contudo, utilizar códigos de extensão maior
em altas taxas implica em reduzir consideravelmente o período do chip. Isso não é muito
interessante, pois como visto nos gráficos das Figuras 22 a 25 (da seção anterior), o sistema não
se comporta muito bem quando isso acontece. Além disso, o número de interferentes suportados
pelo sistema reduz bastante.
4.3 Influência do NOLM para sistema sem fibra
A MAI é um grande problema que ocorre em sistemas de múltiplo acesso por divisão
de código. Isso motivou o interesse em verificar a influência deste fenômeno nesse sistema.
Para isso, foi verificada a influência na utilização do NOLM, que é um dispositivo de rejeição
de MAI.
Foram realizadas duas análises nesta seção: a primeira está representada na Figura 27 e
consiste em um sistema sem fibra, taxa de bit de 10 Gbit/s e código Hadamard de extensão 8.
Foram coletados valores com a influência de até 7 interferentes para um sistema utilizando
NOLM e um sistema que não utiliza NOLM. Os valores inferiores a 1e-20 foram
desconsiderados do gráfico.
50
Figura 27: Teste de influência do NOLM.
A segunda análise está representada na Figura 28, que tem como objetivo observar a
influência do NOLM quando o tamanho do chip é mantido constante. A configuração é mesma
do primeiro teste, com exceção da taxa de bit que foi variada em 10, 5 e 2,5 Gbit/s para as
extensões de 8, 16 e 32 respectivamente. Os valores inferiores a 1e-20 foram desconsiderados
do gráfico.
51
Figura 28: Teste de influência do NOLM para tamanho de chip constante.
Analisando os resultados obtidos nos testes desta seção, pode-se observar que o NOLM
não influencia consideravelmente no sistema, portanto, acredita-se que ele não apresenta uma
MAI suficiente para interferir na qualidade do sinal. Uma possível explicação para isso é que o
codificador e o decodificador, da forma como foram implementados, tenham compensado por
si só a presença da MAI, eliminando qualquer influência deste efeito no sistema.
4.4 Influência da compensação e do comprimento do enlace
Em um sistema óptico, quando um sinal é submetido a um enlace de fibra óptica, ele
está sujeito a presença de diversos efeitos que podem deteriorar o sinal ou até impossibilitar a
comunicação. Portanto é importante a utilização de técnicas de compensação desses efeitos.
Nesta seção é testada a influência dos efeitos de atenuação, dispersão e MAI, que são alguns
dos principais problemas presentes em sistemas ópticos. Apesar de já ter sido testada a
influência da MAI na seção anterior, acredita-se que a utilização da fibra possa afetar a sua
52
influência no sistema, desta forma também é importante testar a sua influência nestas condições,
afim de confirmar as suspeitas anteriores.
O gráfico da Figura 29 apresenta o teste realizado, onde foi utilizado um sistema com 8
usuários, código Hadamard de extensão 8 e taxa de bit de 0.5 Gbit/s. O gráfico apresenta 5
curvas de BER em função da distância do enlace (que varia de 1 a 50km). As curvas
representam:
• Teste do sistema sem nenhuma compensação;
• Teste do sistema utilizando-se apenas o NOLM como ferramenta de compensação da
MAI.
• Teste do sistema utilizando-se apenas um amplificador configurado com ganho de 20dB
e figura de ruído de 6dB, como ferramenta de compensação da atenuação.
• Teste do sistema utilizando-se amplificador e NOLM, com objetivo de verificar a
influência da combinação dos efeitos de atenuação e MAI.
• Teste do sistema utilizando-se apenas DCF, como ferramenta de compensação da
dispersão.
Os valores inferiores a 1e-20 foram desconsiderados do gráfico da Figura 29.
Figura 29: Teste de influência da compensação.
53
Como observado na Figura 29, a qualidade do sinal deteriora drasticamente com o
aumento do tamanho da fibra de enlace, portanto é imprescindível a utilização de métodos de
compensação dos efeitos deteriorantes. Percebe-se que o principal efeito degradante do sistema
é a dispersão, e que a DCF se mostrou muito eficiente para a compensação deste efeito,
proporcionado um grande aumento de capacidade para este sistema. Os testes de compensação
da atenuação e da MAI se mostraram inconclusivos, pois não proporcionaram resultados
satisfatórios. Suspeita-se que o efeito de dispersão tenha suprimido a compensação da
atenuação e da MAI.
Para melhor visualizar o efeito da compensação da dispersão foi realizado um segundo
teste para verificar a compensação em função do aumento da taxa de bit. A Figura 30 apresenta
o resultado do teste de compensação, quando o sistema encontra-se configurado com tamanho
do código Hadamard de extensão 8, com 8 usuários e com DCF. As taxas de bit foram variadas
em 1, 5 e 10 Gbit/s e a distância de 1 a 80 Km. Os valores inferiores a 1e-20 foram
desconsiderados do gráfico da Figura 30.
Figura 30: Compensação da dispersão com uso de DCF.
Como observado, o uso da DCF permite expandir o uso do sistema em termos de taxa
de bit e distância, se mostrando uma ferramenta importante para o sistema. Mas apesar de sua
eficiência, ele apresenta algumas limitações, o que na verdade era esperado, pois podem haver
outros fenômenos influenciando nos resultados.
54
4.5 Influência da compensação da atenuação e da MAI quando a
dispersão é compensada
Como visto no teste da Figura 29, da seção anterior, os testes de compensação da
atenuação e da MAI se mostraram inconclusivos. Suspeita-se que o efeito da dispersão tenha
influenciado nos resultados, portanto, nesta seção foi realizado um novo teste de compensação
da atenuação e da MAI. Este teste, representado na Figura 31, da mesma forma que o teste da
Figura 29, utilizou um sistema com 8 usuários e código Hadamard de extensão 8, contudo a
taxa de bit utilizada foi de 5 Gbit/s, possibilitando uma melhor visualização dos resultados. As
curvas do gráfico da Figura 31 representam:
• O sistema utilizando-se apenas a DCF como ferramenta de compensação da dispersão;
• O sistema utilizando-se a DCF e o NOLM para verificar a influência da MAI quando a
dispersão é compensada;
• O sistema utilizando-se a DCF e Amplificador configurado com ganho de 20 dB e figura
de ruído de 6 dB para verificar a influência da atenuação quando a dispersão é
compensada.
Figura 31: Teste da influência da compensação da atenuação e da MAI quando a dispersão é
compensada.
55
Como observado, a MAI realmente não é um problema para o sistema como foi
implementado. Contudo a atenuação, assim como a dispersão é um fator determinante,
necessitando de ferramentas adequadas de compensação. Percebe-se que a combinação de DCF
e amplificador possibilita aumentar a gama de aplicações para este sistema, tanto em termos de
comprimento do enlace, quanto em termos de taxa de bit. Na Figura 32 também é possível
verificar o efeito da combinação DCF e amplificador. As Figuras 32 (a) e (b) representam os
diagramas de olho do teste realizado nesta seção, para a fibra de enlace de tamanho 80 Km. A
imagem (a) representa o teste com apenas DCF e a imagem (b) representa o teste com DCF e
amplificador. É visível a melhora do sinal quando é inserido a o amplificador em um sistema
com dispersão compensada. Essa melhora explica os melhores valores de BER obtidos.
Figura 32:Compensação de dispersão e atenuação, a) Diagrama de olho utilizando-se apenas DCF e b)
Diagrama de olho utilizando-se DCF e amplificador.
56
5 Conclusão geral
Este trabalho apresentou resultados satisfatórios que possibilitam prever o
comportamento do sistema TS-OCDMA diante de grandezas importantes para um sistema de
telecomunicações. Os resultados mostraram que a interferência de usuários, o período do chip
e a dispersão que ocorre no enlace, são os principais fatores que limitam esse sistema. Além
disso, o aumento no número de interferentes provoca uma degradação no sinal, diminuindo sua
qualidade. Portanto esse aumento implica na diminuição da capacidade do sistema. Apesar
disso os testes mostraram que dependendo da configuração utilizada, o sistema pode comportar
um grande número de usuários interferentes.
Outro cenário analisado mostrou que a diminuição do período do chip implica na
limitação da utilização de altas taxas de bit e na inserção de muitos usuários. Essa diminuição
pode ocorrer devido a dois fatores: o tamanho da extensão do código e a taxa de bit. Aumentar
o tamanho da extensão do código e o tamanho da taxa de bit implica na diminuição do tamanho
do chip. Portanto, não é possível aumentar a proporção das duas variáveis, o que torna possível
um sistema de alta capacidade de trafego de dados e de poucos usuários ou um sistema com
muitos usuários e baixo trafego de dados.
Já para um sistema com enlace, a sua capacidade tanto em termos de taxa, quanto de
número de usuários é reduzida com o aumento do comprimento de enlace. Isso se deve a
presença de fatores como a atenuação e a dispersão. A dispersão se mostrou o fator que mais
limita este sistema no enlace, contudo a atenuação é um fator que também reduz a capacidade.
A compensação dos dois fatores proporciona utilizar esse sistema com grande capacidade em
um enlace de comprimento considerável.
Diante de todos os resultados obtidos, pode-se dizer que esse é um sistema de alta
capacidade e altamente dinâmico, proporcionando soluções para uma grande gama de
aplicações em telecomunicações.
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